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- Optique cohérente et non linéaire
Laboratoire Pierre Aigrain - UMR 8551
Département de physique
L'ENS Le CNRS
La recherche au L.P.A.
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Optique cohérente et non linéaire	Le groupe "Optique Cohérente et Non Linéaire" s’intéresse aux propriétés optiques de nano-objets qu’ils s’agissent d’hétérostructures de semiconducteurs ou d’objets moins classiques comme les nanotubes de carbone. Ces objets possèdent au moins une dimension caractéristique de l’ordre du nanomètre, leurs propriétés optiques et électroniques sont donc gouvernées par des effets de confinement quantique. Ces objets constituent les briques élémentaires nécessaires au développement du traitement quantique de l’information en matière condensée. Cela peut aller dans notre cas de la réalisation de nouvelles sources lumineuses non classiques à la conception de nouveaux dispositifs de traitement de l’information ou de nouveaux dispositifs opto-électroniques.
Contact : Philippe Roussignol Membres de l'équipe :
Permanents : Emmanuel Baudin, Yannick Chassagneux, Claude Delalande, Carole Diederichs, Christos Flytzanis, Philippe Roussignol, Christophe VoisinDoctorants : Ombline Lafont, Benjamin Langlois, Raphael Proux, Fabien ViallaPost-docs : Maria MaragkouStagiaires : Adrien Jeantet
L’activité actuelle se développe suivant quatre axes :
- Génération de paires de photons dans les microcavités multiples
Dans une microcavité de semiconducteurs le milieu actif est un puits quantique, milieu bidimensionnel. Ce puits est inséré dans une cavité Fabry-Pérot. Dans certaines conditions on peut obtenir une situation de couplage fort entre les excitations électroniques du puits et les photons confinés dans la cavité. Les états propres de ce système sont alors des états mixtes lumière-matière, les polaritons de microcavité. Ces polaritons présentent des propriétés particulièrement intéressantes à la fois du point de vue de la physique fondamentale (modification de la dynamique, propriétés non-linéaires, condensation, etc.) que des applications (oscillation paramétrique optique et génération de photons jumeaux). En 2005, nous avons mis au point un micro-OPO (Oscillateur Paramétrique Optique) à cavité triple. Ce "petit frère" du laser, jusqu’alors essentiellement réservé à la recherche fondamentale à cause de la taille et de la complexité des dispositifs de laboratoires impliqués, possède des applications potentielles très importantes en optique quantique (ex. cryptographie quantique). Les premiers travaux ont démontré le fonctionnement de l’OPO aux températures cryogéniques et sous pompage optique par un laser externe. Une réduction du bruit quantique sous la limite quantique standard (manifestation des corrélations quantiques) a aussi été observée. Les développements à venir concernent l’intégration d’une pompe injectée électriquement ainsi que l’augmentation de la température de fonctionnement.
(Des informations plus détaillées sont disponibles dans la rubrique "Microcavités de semiconducteurs")
- Spectroscopie de nanotubes de carbone uniques
Les nanotubes de carbone sont des molécules dont la structure de base est très simple : un plan graphitique enroulé sur lui-même et formant un tube dont la longueur typique est 1 µm. Le diamètre du tube est lui de l’ordre du nanomètre. Ce nano-objet, quasi-unidimensionnel, possède de nombreuses propriétés originales tant mécaniques qu’électroniques.
L’étude des propriétés optiques des nanotubes (mis à part le Raman) n’a vraiment commencé à s’intensifier qu’à la suite de la publication en 2002 d’un article du groupe de Rice University décrivant l’observation d’un signal de photoluminescence à température ambiante dans des nanotubes mis en solution. En effet, pour émettre de la lumière les nanotubes doivent être isolés les uns des autres alors qu’ils s’aggrègent naturellement en faisceaux. Nous avons développés des techniques optiques d’étude des nanotubes de carbone. Nous avons notamment démontré comment adresser une famille spécifique de nanotubes dans un ensemble en combinant excitation optique sélective et détection appropriée. Des mesures de spectroscopie résolue en temps nous ont permis de démontrer le rôle clé joué par les interactions nanotube-nanotube et nanotube-environement dans le processus d’émission de lumière. De plus des mesures effectuées à basse température nous ont permis d’expliciter la structure excitonique de ces nano-objets. Ces études ont été menées sur de larges ensembles de tubes et sont donc sujettes à des effets de moyenne. A l’heure actuelle nous travaillons à les effectuer sur un nanotube unique.
(Des informations plus détaillées sont disponibles dans la rubrique "Nanotubes de carbone")
- Etude et contrôle de l’effet de l’environnement électrostatique d’une boîte quantique InAs/GaAs
Une boîte quantique est un système zéro-dimensionnel, en effet, le confinement quantique s’y produit dans les trois dimensions de l’espace. Les boîtes, bien que partageant certaines caractéristiques des atomes (on les appelle souvent "macro-atomes") sont cependant des objets de matière condensée. Elles interagissent notamment avec leur environnement et cette interaction entraîne une dégradation des propriétés cohérentes de la boîte. L’élargissement des transitions optiques de boîtes quantiques uniques est dû à l’effet Stark induit par la présence de charges piégées dans l’environnement de la boîte quantique. C’est le piégeage et dépiégeage aléatoire de ces charges qui provoquent les fluctuations du champ électrique vu par la boîte. En octobre 2006, nous avons observé une manifestation non conventionnelle du phénomène dit de "rétrécissement par le mouvement", qui se traduit par une réduction de l’efficacité des mécanismes de décohérence induits par l’environnement de la boîte quantique. Le rétrécissement par le mouvement constitue un phénomène physique étonnant où la résonance d’un système couplé à un réservoir fluctuant devient plus étroite lorsque les fluctuations du réservoir augmentent. Un des exemples les plus connus se rencontre en Résonance Magnétique Nucléaire, où les champs magnétiques locaux fluctuants créés par les spins nucléaires orientés de façon aléatoire voient leurs effets moyennés lorsque la température augmente, en raison de l’accélération du mouvement des noyaux. Dans une boîte le rétrécissement par le mouvement se produit de manière non-standard, lorsque la température diminue (le régime opposé à celui de la résonance magnétique nucléaire) à cause de la dissymétrie des processus de capture et échappement des porteurs des pièges.
Cette observation ouvre de nouvelles perspectives pour contrôler la dynamique de décohérence dans des boîtes quantiques et accroître leurs potentialités en information quantique. Nous sommes à l’heure actuelle en train d’étudier les effets d’un champs électrique transverse qui a pour effet de moduler le piégeage et le dépiégeage des porteurs.
(Des informations plus détaillées sont disponibles dans la rubrique "Boîtes quantiques")
- Spectroscopie de "hole-burning" dans les boîtes quantiques à base de GaN
La spectroscopie intra-bande de boîtes quantiques est actuellement limitée à des études d’ensemble. L’étude des excitations unipolaires par spectroscopie optique à l’échelle d’une boîte quantique unique est un champ de recherche totalement vierge à l’heure actuelle. Les difficultés expérimentales sont essentiellement liées au domaine spectral associé aux transitions intra-bandes, qui est limité aux grandes longueurs d’onde dans les matériaux III-V conventionnels comme InAs/GaAs. Dans le système GaN/AlN, la grande discontinuité de potentiel en bande de conduction (1.75 eV) permet d’atteindre le proche-infrarouge et notamment les longueurs d’onde des télécommunications par fibre optique. L’étude des transitions intra-bandes dans les boîtes quantiques de nitrures est ainsi motivée par leurs applications aux dispositifs unipolaires à courte longueur d’onde comme les photodétecteurs, les lasers unipolaires ou les absorbants saturables.
(Cette activité a déménagé suite au départ de Guillaume Cassabois au Laboratoire Coulomb de l’Université de Montpellier.)